Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB-TU Ostrava Měření v PON Datum: 10.4.11 Autor: Ing. Jan Látal, Ing. Petr Koudelka Kontakt: jan.latal@vsb.cz;petr.koudelka@vsb.cz Předmět:
1 Útlum jako základní parametr pro optické přenosové trasy... 4 1 Metody měření útlumu... 4 2 Přímá (transmisní) metoda... 5 3 Sestava pro měření přímou metodou... 5 4 Metoda dvou délek... 6 5 Metoda vložných ztrát... 9 6 Metoda vložných ztrát (dvoustupňová)... 10 7 Metoda vložných ztrát (čtyřstupňová)... 11 8 Varianty přímé metody vložných ztrát... 12 9 Logaritmické veličiny pro optické řešení... 14 10 Metoda 1a (A.1)... 14 11 Metoda 1b (A.2)... 14 12 Metoda 1c (A.3)... 15 13 Metoda zpětného rozptylu nepřímá metoda... 16 14 Princip funkce reflektometru OTDR... 16 15 Linearita... 21 16 Dynamický rozsah... 21 17 Vlnové délky... 23 18 Sestava pro měření metodou OTDR... 23 19 Závislost měřícího impulsu na délce předřadného vlákna... 24 20 Vyhodnocení měření křivky zpětného rozptylu a běžně vyskytujících se poruch pomocí ní změřených... 27 21 Přesnost a reprodukovatelnost měření přímé a nepřímé metody měření útlumu... 29 22 Přímá metoda - přístroj OLTS (Optical loss Test Set) pro měření útlumu... 30 23 Potřebné vybavení pro měření OLTS... 30 24 Postup při měření OLTS... 31 25 Měření útlumu odrazu ORL... 31 26 Potřebné vybavení pro měření ORL... 32 27 Postup při měření ORL... 33 28 Měření na vyšších vlnových délkách pomocí přímé metody... 33 29 Výpočet limitu na útlum optické trasy... 33 2 Úvod do disperzí a jejich měření... 35 30 Vidová disperze... 35 31 Profilová disperze... 36
32 Materiálová disperze... 37 33 Vlnovodná disperze... 37 34 Chromatická disperze... 38 35 Působení chromatické disperze na přenášený optický signál... 38 36 Chromatická disperze a optický přenosový systém... 42 37 Možnosti snižování vlivu chromatické disperze na optický přenosový systém... 43 38 Měření chromatické disperze... 49 39 Měření chromatické disperze metodou fázového posuvu a diferenciálního fázového posuvu... 50 40 Měření chromatické disperze interferometrickou metodou... 51 41 Měření chromatické disperze metodou zpoždění impulsů v časové oblasti... 52 42 Zpracování výsledků měření... 53 43 Popis polarizační vidové disperze... 54 44 Základní pojmy... 55 45 Metody měření polarizační vidové disperze... 62 46 Metody interferometrická (Traditional analysis INTY)... 62 47 Metoda interferometrická GINTY... 64 48 Metody skenování vlnové délky... 65 49 Metoda polarimetrická (metoda analýzy Jonesovy matice)... 66 50 Metoda polarizačně reflektometrická P- OTDR (Polarimetric Optical Time Domain Reflectometry)... 67 51 Metoda analýzy SOP (metoda skenování vlnové délky)... 68 52 Metoda analýzy DOP... 69 53 Vyhodnocení měření metodou analýzy DOP... 70 3 Multimediální služby budoucnosti... 72 54 Popis multimediální služby VOIP... 72 55 Požadavky VoIP na přenosové sítě... 72 56 Popis multimediální služby IPTV... 73 57 Popis architektury pro IPTV... 73 58 Používané protokoly pro přenos video toku v IPTV... 74 59 Vyžití přenosu typu unicast a multicast pro vysílání TV kanálů... 75 60 Middleware... 77 4 Nároky na přístupové sítě a měření v sítí... 80 61 Popis testu propustnosti dle RFC 2544... 81 62 Popis testu zatížitelnosti dle RFC 2544... 82
63 Popis testu ztrátovosti dle RFC 2544... 82 64 Popis testu zpoždění dle RFC 2544... 84 5 Literatura a prameny, ze kterých bylo čerpáno pro tvorbu tohoto materiálu:... 86
1 Útlum jako základní parametr pro optické přenosové trasy Výrazné přednosti přenosu informací na optických kmitočtech vedou k masivnímu nasazování optických kabelů či vláken nejen v telekomunikačních páteřních sítích, ale i v sítích pro konečnou míli (přístupové optické sítě). Základem každé optické přenosové trasy je optický kabel s různým počtem vláken dále optické a optoelektronické součástky (děliče, atenuátory, konektory, spojky), které rovněž mají zásadní vliv na kvalitu optické trasy. Proto se při návrhu optické trasy počítá tzv. útlumový plán a počty svařovaných spojů, spojek, odbočnic, děličů apod. Všechny tyto prvky vkládají do optické trasy útlum. Útlum ovlivňuje zásadní způsobem kvalitu přenosu a je bezesporu jedním z nejdůležitějších parametrů optické trasy. Jeho měření je třeba přikládat patřičnou pozornost. Útlum je třeba měřit při všech etapách budování optické přenosové trasy i během jejích provozu. Proto stanovení jasně definovaných metodik měření útlumu má prvořadý význam pro instalaci a servis sítě. Dostatečně přesné a reprodukovatelné měření útlumu pomocí různé měřící techniky je určujícím faktorem pro kvalitu sítě. 1 Metody měření útlumu Pro měření útlumu se využívá několika měřících metod, které budou součástí této kapitoly. Postupně budou popsány postupy pro měření útlumu optických tras, které doporučuje IEC (International Electrotechnical Commission) tj. přímá a nepřímá metoda. Navíc zde bude rovněž popsána metoda OLTS (Optical Loss Test Set). Pro všechny výše uvedených metod však musí platit, že před měřením musí být všechny optické spojky řádně očištěny. K tomu se doporučuje použít inspekční mikroskop, kterým se dá zjistit kvalita a čistota použitých spojek. Nedílnou součástí je pak použití čistícího roztoku (např. iso- propyl alkoholu, chem. zn. C3H8O) s čistícími kapesníčky. Dále musí platit, že měření by se mělo provádět za použití kvalitních měřících zařízení, které prošli kalibrací a dají se považovat za přesné a bez poruchy. V případě zjištění poškození nebo znečištění je nutno dané zařízení opravit, vyměnit nebo očistit. Pro měření útlumu optických vláken doporučuje IEC (International Electrotechnical Commission) tři metody: v metoda dvou délek (Cut- Back Method), v metoda vložných ztrát (Insertion- Loss Method) a její modifikace 1a, 1b, 1c dříve bylo označení A.1, A.2, A.3 v metoda měření zpětného rozptylu (Back- scattering Method) známá také jako metoda OTDR (Optical Time Domain Reflectometry).
První dvě metody umožňují přímé měření útlumu optického vlákna. Poslední metoda patří do metod realizujících nepřímé měření útlumu optického vlákna. 2 Přímá (transmisní) metoda Charakteristickým rysem pro měření přímou metodou je použití dvou samostatných měřících přístrojů umístěných na obou koncích měřeného úseku nebo trasy. Funkcí prvního zařízení je vytvářet zdroj optického záření a funkcí druhého je měření optického výkonu. Měření se provádí na vláknech bez provozu a měří se na vlnových délkách 1310/1383/1490/1550/1625nm. Tato metoda se nevyužívá pouze pro měření celkového optického útlumu trasy, ale slouží také pro kontrolu toho, zda není dané vlákno prasklé nebo nejsou na trase nějaké makro- ohyby. 3 Sestava pro měření přímou metodou Na obrázku 1 je uvedeno schéma pro měření útlumu přímou metodou, které se může lišit počtem použitých referenčních kabelů. Pro přímou metodu se používají dva přístroje a to zdroj záření a detektor záření (zařízení pro měření optického výkonu). Touto metodou se převážně měří celkový útlum optických vláken jednovidových i mnohovidových. Tato metoda je proti metodě OTDR výhodnější z hlediska ceny přístrojů a rychlosti měření. Měření optických vláken se provádí většinou obousměrně. Nevýhodou je proto fakt, že se musí měřit na dvou různých místech, z tohoto pohledu se jedná pro firmy o silnou nevýhodu (co do počtu měřících přístrojů, personálu, řízení, plánování apod.). Postup měření pak spočívá v tom, že se nejprve oba přístroje zkalibrují (tzn., nastaví se referenční hodnota) a poté se dané přístroje umístí na konce optických tras a provede se měření z jedné a pak druhé strany. Obrázek 1 Sestava pro měření útlumu pomocí přímé metody Pro měření jednovidových vláken (SM) se jako zdroj záření používají laserové zdroje, které se liší svými vlastnostmi a mohou negativně ovlivnit naměřené výsledky. Existuje mnoho různých druhů zdrojů záření a je tedy velmi důležité vybrat pro dané měření ten nejvýhodnější. Jednotlivé typy se mohou lišit například svou vyzařovací vlnovou délkou, stabilitou anebo také velikostí výstupního výkonu. Zdroje záření u
jednovidových vláken pracují na provozních vlnových délkách 1310/1382/1490/1550/1625nm. Vlnová délka se u různých zdrojů může lišit víc než 20nm, což způsobuje znatelnou chybu měření. Stejně jakou u zdrojů záření, tak i u měřidel optického výkonu je důležité dbát na kvalitu a stabilitu vlnové délky použitého přístroje. Vybrat ten správný měřicí přístroj není jednoduché, proto je nutné se zaměřit na několik parametrů, které mohou ovlivnit naměřené výsledky. Je důležité použít přístroj, který je schopen měřit přesně výkon vycházející z optického vlákna s co nejmenší odchylkou. Dále je třeba, aby použitý přístroj byl schopen tento výkon měřit se stejnou přesností na celém svém dynamickém rozsahu (linearita). Většinou se při měření uvažuje dynamický rozsah od - 40 db do - 60 db. Přístroje bývají často na vyšších úrovních výkonu přesnější a dosahují odchylek řádově několika desetin db (kvalitní přístroje mohou mít odchylku pod 0,1 db), přičemž na úrovních nižších mohou dosahovat chyb až o několika db (v nejhorším případě i přes 5 db). 4 Metoda dvou délek Jedná se o nejpřesnější metodu měření útlumu optických vláken, při které se měří úroveň optického výkonu P1 a P2 ve dvou bodech vlákna bez změny vstupních podmínek. Přesnost této metody může dosáhnout teoreticky až hodnoty setin db. Reálně se však odchylka měřené hodnoty útlumu A (λ) se pohybuje maximálně do 0,1 db. Právě proto je tato metoda doporučována jako metoda referenční, i když je časově náročná a destruktivní. Její použití je většinou omezeno na vědecko- výzkumná pracoviště nebo na laboratoře výrobců optických vláken. Schéma zapojení viz obrázek 2. Obrázek 2 Sestava pro měření útlumu pomocí metody dvou délek Pro spektrální závislost útlumu je pak měřící uspořádání dáno následovně obrázku 3.
Obrázek 3 Měření spektrální závislosti útlumu pomocí metody dvou délek Po navázání optického záření do měřeného vlákna o délce l se změří výkon P2 na jeho výstupu. Při zachování konstantních podmínek vazby se potom vlákno ve vzdálenosti přibližně 2 m od vstupního čela zlomí a na jeho výstupu se po úpravě konce změří výkon P1. Útlum se pak vypočítá na základě vztahu 1.2 nebo 1.8. Pro vybuzení jednovidového vlákna se používá klasické optické soustavy, která je tvořená čočkami nebo se používá krátký budící optický kabel pigtail. Příklad jednoduchého budícího uspořádání můžeme vidět na obrázek 4. Pokud tedy využijeme budícího vlákna, musí být mezi tímto vláknem a vláknem měřeným použita imerzní kapalina (má index lomu podobný sklu) zabraňující vzniku odrazů a s nimi spojených interferenčních jevů. Při použití soustavy optických čoček je třeba zajistit uchycení konce měřeného vlákna, například ve vakuovém držáku vlákna a současně ho umístit v manipulátoru umožňujícím opakované nastavení čela měřeného vlákna vůči budícímu optickému svazku. Ke snadnějšímu nastavení čela vlákna vede použití svazku, který má větší průměr než průměr jádra vlákna. Pro měření útlumu jednovidových vláken se používají zdroje záření s úzkou spektrální čárou, a to nejčastěji polovodičové lasery s vlnovou délkou v oblasti 1310 a 1550nm. Celé spektrum zdroje musí být v oblasti jednovidového režimu vlákna. Při měření spektrální závislosti útlumu, kde se projevují např. absorpční nebo radiační ztráty. V oblasti 1310nm je proto třeba dávat pozor, aby spektrum zdroje záření nezasahovalo do oblasti OH absorpčního pásu 1383nm. V oblasti 1550nm se pak mohou na delších vlnových délkách negativně projevit radiační ztráty a IR ztráty. Střední vlnová délka zdroje záření by se neměla lišit o více jak 10nm od vlnové délky, pro kterou chceme útlum měřit.
Obrázek 4 Obecný příklad budícího uspořádání Budící podmínky musí rovněž zajistit, aby se měřeným vláknem šířil pouze základní vid. Pro odstranění případných vyšších vidů slouží vidový filtr. Příkladem vidového filtru je jednoduchý závit s dostatečně malým průměrem zvoleným tak, že posunuje mezní vlnovou délku pod vlnovou délku, na které se provádí měření. Při měření útlumu běžných jednovidových vláken na vlnových délkách 1310 a 1550nm není třeba používat žádný vidový filtr. Při měření je třeba věnovat maximální pozornost případnému šíření plášťových vidů. Tyto plášťové vidy mají sice poměrně vysoký útlum, ale mohou ovlivnit především referenční hodnotu výkonu odečítanou na výstupu dvoumetrového úseku vlákna. Tímto způsobem mohou velmi výrazně ovlivnit výsledek měření, a to podstatně výrazněji, než u vláken mnohovidových. Proto je třeba plášťové vidy z měřeného vlákna odstranit pomocí stahovače plášťových vidů, který zajistí, že ani na výstupu krátkého úseku vlákna nejsou detekované plášťové vidy. Stahovač plášťových vidů je obvykle tvořen materiálem, jehož index lomu je větší než index lomu pláště měřeného vlákna. Může ho například tvořit kapalina (např. glycerin) aplikovaná po délce alespoň 2cm přímo na holé vlákno (bez primární ochrany). U většiny v současnosti vyráběných vláken plní funkci stahovače plášťových vidů samotná primární ochrana, která je tvořena materiálem s vyšším indexem lomu než má materiál pláště. Pokud jsou pochybnosti, je třeba před vlastním měřením tuto funkci primární ochrany ověřit. To lze provést tak, že na krátkém úseku měřeného vlákna změříme výstupní výkon bez vnějšího stahovače plášťových vidů a poté tímto stahovačem. Nezmění- li se výkon na výstupu vlákna při aplikaci vnějšího stahovače plášťových vidů, je funkce primární ochrana dostatečná. Při měření metodou dvou délek je měřen celkový útlum daného úseku vlákna a nelze získat informaci týkající se chování útlumu v libovolném místě vlákna. Také je obtížné měřit touto metodou změny útlumu při měnících se vnějších podmínkách.
5 Metoda vložných ztrát Měření útlumu metodou vložných ztrát, je rovněž dvoustupňová a liší se od metody dvou délek především v tom, že je nedestruktivní metodou. Postup měření pomocí této metody můžeme vidět na obrázku 5. Obrázek 5 Postup měření útlumu metodou vložných ztrát (první případ je pro kalibraci měřící soupravy a druhý je měření útlumu Měřící souprava se nejprve kalibruje, přímím propojením zdroje záření s měřičem optického výkonu pomocí referenčního vlákna o délce cca 2 metry. Tímto způsobem získáme hodnotu vstupního výkonu P1. V dalším kroku se místo referenčního vlákna zapojí vlákna měřené a na jeho výstupu se odečte hodnota výstupního výkonu P2. Útlum či koeficient útlumu měřeného vlákna se pak určí na základě relace mezi vztahy 1.2 nebo 1.8. Tato metoda dává také celkový útlum měřeného úseku vlákna a neumožňuje analýzu závislosti útlumu vlákna na jeho délce. Vzhledem k tomu, že je známa referenční hodnota P1, je možno touto metodou plynule měřit změnu útlumu v závislosti na vnějších vlivech, kterými může být např. radiace, voda (popř. zvýšená vlhkost), teplota či tlak. Metoda vložných ztrát je vhodná především pro měření
optických kabelů, spojovacích modulů i jiných optoelektronických součástek v případě, kdy nelze lámat a zkracovat vlákno. Její nedestruktivnost je však oproti metodě dvou délek vykoupena menší přesností a reprodukovatelnosti měření. Při použití této metody mlčky předpokládáme, že vazební ztráty při připojení referenčního a měřeného vlákna ke zdroji záření jsou naprosto stejné. To však nemusí být, a také není vždy pravda. Rozdíly ve vazebních ztrátách proto musíme omezit použitím stejného nebo alespoň takového referenčního vlákna, které svými parametry co nejlépe napodobuje vlákno měřené. Jelikož je tato metoda méně přesná než metoda vložných ztát není vhodná pro měření útlumu jednovidových vláken a kabelů. Tato metoda včetně jejích různých modifikací a variant je nenahraditelnou metodu měření útlumu optických tras a nejběžnější metodou pro měření útlumu optických konektorů a jiných a jiných pasivních součástek. 6 Metoda vložných ztrát (dvoustupňová) Metoda vložných ztrát je dvoustupňová provozní metoda viz obrázek 6, měření útlumu optických tras a na rozdíl od metody dvou délek se jedná o nedestruktivní metodu. Problém je zde s přesností, která vyplývá z rozdílů v čistotě a úpravě čel a nastavení konců měřeného a referenčního optického vlákna. Tato nepřesnost se pohybuje v řádu desetin db. V případě měření mnohovidových optických vláken se v praxi prování měření útlumu z obou konců optického vlákna a výsledné naměřené hodnoty útlumu se zprůměrují. Tímto způsobem se eliminuje vliv rozdílné distribuce optického svazku v opačných směrech (mohlo by dojít k reálnému zvýšení chyby měření). Doporučení, jakým způsobem měřit útlum optické trasy přímou metodou, obsahuje standard pro kabelážní systémy ISO/IEC 14763-3. Tyto doporučené metody nazýváme jako referenční. Obrázek 6 Měření metodou vložných ztrát varianta dvoustupňová
7 Metoda vložných ztrát (čtyřstupňová) V provozních podmínkách se také uplatňuje aplikace metody vložných ztrát, při které se používají dvě soupravy optických vysílačů a přijímačů, a to na obou koncích trasy optického kabelu. Měřící metoda je pak čtyřstupňová. Dvě měření se provádějí při přímém spojení optického vysílače a přijímače obou souprav pomocí krátkých referenčních optických vláken (patchcordů). Další dvě měření se provádějí při zapojení analyzovaného optického vlákna. Ze čtyř získaných hodnot optických výkonů P11, P22, P12 a P21 lze následovně vypočítat útlum optického vlákna pomocí následujícího vztahu: = 10 log 10 P P 11 P P 22 12 21 A [ db W, W, W, W] ; (1.1) Obrázek 7 - Měření metodou vložných ztrát varianta čtyřstupňová
8 Varianty přímé metody vložných ztrát Pro měření útlumu pomocí přímé metody v praxi se definují tři druhy měřících metod na základě normy standard ISO/IEC 14763-3 (Implementation and Operation of Customer Premises Cabling, Testing of Optical Fibre Cabling) doporučuje nové referenční metody: v Link Loss Measurment: Pro měření vybudované přenosové trasy (patchpanel- patchpanel) je doporučena tzv. metoda 1a s jedním měřícím patchcordem pro referenci (přímá metoda vložných ztrát). v Channel Loss Measurment: Pro měření kompletní přenosové cesty (patchcord- patchcord) je doporučena tzv. metoda 1c se třemi měřícími patchcordy pro referenci (přímá metoda vložných ztrát). v Není doporučena tzv. metoda 1b se dvěma měřícími patchcordy pro referenci. Obrázek 8 - Varianty přímé metody vložných ztrát 1a, 1b, 1c Dříve se tyto metody označovali jako A. 1, A. 2, A. 3 nicméně v dnešní době se spíše používá označení 1a, 1b a 1c. Jednotlivé typy metod se liší počtem použitých měřících referenční kabelů, viz výše. Délka těchto referenčních kabelů se pohybuje okolo 2metrů. Útlum optické trasy se doporučuje měřit pomocí metodou vložných ztrát. Měření pomocí této metody je dvoustupňové. Při prvním kroku je třeba měřící soupravu na- kalibrovat propojením zdroje záření s měřičem optického výkonu. Tímto krokem se získá referenční hodnota optického výkonu P1 měřená ve wattech. Ve druhém kroku se zapojí měřená trasa mezi zdroj a měřič optického výkonu a tak se získá hodnota optického výkonu P2. Útlum měřené trasy v decibelech je pak dán vztahem: P 1 A( λ ) = 10 log 10 [ db W, W] P2 ; (1.2) Pokud měřič optického výkonu měří absolutní úroveň optického výkonu (P) v jednotkách dbm, útlum trasy je pak dán vztahem: A = [ db dbm, dbm] L 1 L 2 ; (1.3), kde L1 a L2 jsou absolutní úrovně výkonu získané v prvním a druhém kroku.
L1=referenční úroveň výkonu (dbm) L2=měřená úroveň výkonu (dbm) Tyto úrovně jsou měřeny v decibelech absolutních, a proto pro ně platí vztahy: P 1 L = 1 10 log 10 [ dbm ; W, W] (1.4) P0 P 2 L = 2 10 log 10 [ dbm ; W, W] (1.5) P0 Pamatujme si však tento důležitý přepočet z db na dbm! Pro účely měření je normálový výkon definován hodnotou P0 = 1 mw (0 dbm), dle normy. Následující tabulka 1 zobrazuje představu o transformaci hodnot mezi naměřeným výkonem P [W] a absolutní úrovní výkonu L1,2 [dbm]: P [W] 100 10 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 L1,2 +20 +10 0-10 - 20-30 - 40-50 - 60-70 [dbm] Tabulka 1 Transformace hodnot mezi naměřeným výkon a absolutní hodnotou výkonu Řada měřičů optického výkonu je z praktických důvodů vybavena funkcí reference. Tato funkce umožňuje uložit referenční výkon P1 do paměti přístroje a následně pak měřit relativní úroveň libovolného optického výkonu vůči této referenci. Útlum trasy je pak vyjádřen na základě jednoduchého vztahu: A = L R [ db ] jelikož pro relativní úroveň výkonu vyjádřenou v decibelech relativních db platí: (1.6) P2 = 10 log 10 P1 db L R [ ] (1.7) Jednoznačnou výhodou funkce reference je možnost odečtení příslušné hodnoty útlumu trasy (až na znaménko) přímo na displeji přístroje. Měrný útlum, nebo též koeficient útlumu, trasy je útlum vztažený na jednotkovou délku vlákna a lze jej získat z celkového útlumu trasy: kde l je délka vlákna. A l a = [ db km ; db, km] 1 (1.8)
9 Logaritmické veličiny pro optické řešení V případě přenosových systémů obvykle používáme k vyjádření hodnoty výkonu tzv. logaritmické poměrové veličiny, které nazýváme úrovně L (Level). Logaritmické úrovně lze rozdělit do dvou kategorií: v Relativní úroveň výkonu (Lr) vztahující úroveň výkonu v určitém konkrétním analyzovaném místě optického přenosového řetězce k výkonu ve zvoleném referenčním místě optického přenosového řetězce. v Absolutní úroveň výkonu (L) vztahující hodnotu výkonu v určitém konkrétním analyzovaném místě optického přenosového řetězce k normálové hodnotě, která je u optických systémů často rovna hodnotě 1 mw. Logaritmický charakter úrovní výkonu usnadňuje v praxi výpočet v přenosových řetězcích tím, že složitější operace násobení a dělení redukují na jednodušší operace sčítání a odčítání. 10 Metoda 1a (A.1) Jenda z nejvíce používaných metod při měření optických tras či nově budovaných optických tras (patchpanel - patchpanel). Pro měření se používá pouze jednoho referenčního kabelu, který se po zkalibrování přístrojů odpojí a na místo tohoto referenčního kabelu se připojí měřená trasa. Obrázek 9 Sestava pro měření útlumu pomocí přímé metody - reference A. 1 11 Metoda 1b (A.2)
Pro tuto metodu je charakteristickým rysem, využití dvou referenčních kabelů pro měření. Po zkalibrování přístrojů se oba referenční kabely rozpojí a mezi ně se připojí pak daná měřená trasa. V praxi se však nedoporučuje tuto metodu využívat. Důvodem je ten fakt, že při kalibraci přístrojů jsou oba referenční kabely navzájem propojeny pomocí jednoho konektoru a po připojení měřené trasy mezi oba referenční kabely měříme pouze útlum přes dva konektory, což ovlivní měření způsobené útlumem druhého konektoru. Obrázek 10 Sestava pro měření útlumu pomocí přímé metody - reference A. 2 12 Metoda 1c (A.3) Poslední metodou je metoda 1c, která se používá pro měření kompletní přenosové trasy (patchcord- patchcord). Pro samotné měření využívá tří měřících referenčních kabelů. Poté co jsou přístroje zkalibrování, odpojí se prostřední referenční kabel a místo něj se připojí měřená trasa.
Obrázek 11 Sestava pro měření útlumu pomocí přímé metody - reference A. 2 13 Metoda zpětného rozptylu nepřímá metoda Třetí a posledně jmenovanou metodou měření útlumu je tzv. metoda zpětného rozptylu, označovaná jako metoda optické reflektometrie v časové oblasti (optical time- domain reflectometry, OTDR). Při této metodě se vyhodnocuje tedy časová závislost zpětně rozptýleného optického výkonu při šíření úzkého optického impulzu měřeným vláknem. V dnešní době se jedná o perspektivní metodu měření a diagnostiky optických vláken a kabelů, jak při výrobě tak i při montáži a provozu. Tato metoda umožňuje kromě měření útlumu měřit rovněž podélnou homogenitu, analyzovat útlum, jak pro celou délku, tak i pro jednotlivé části trasy, útlum svarů, konektorů, útlum odrazu, průměr vidového pole, délku vlákna a zároveň lokalizovat případné poruchy na trase. Bezodrazná nehomogenita (svar) Odrazná nehomogenita (konektorové spojení) Obrázek 12 Příklady různých typů nehomogenit na trase detekovaných pomocí OTDR 14 Princip funkce reflektometru OTDR Optický impuls je vyslán ze zdroje záření, kterým může být např. injekční laser, který generuje úzké optické impulsy s FWHM řádově desítky až tisíce nanosekund a opakovací frekvencí několik khz. Tento vygenerovaný optický impuls dále pokračuje prostřednictvím směrovaného vazebního článku, optickým děličem nebo vazební optikou doplněnou o polopropustná zrcátka či jiného typu rozdělovače svazků do analyzovaného optického vlákna. Zpětně odražené nebo rozptýlené záření vracející se z měřeného optického vlákna prochází stejným optickým děličem a dále je vedeno k velmi rychlému a preciznímu detektoru, kterým může být např. APD (Avalanche Phodo Diode, lavinová fotodioda). Poté je detekovaný elektrický signál veden do analogového popřípadě digitálního integrátoru. Ten je použit, protože vracející se signál má velmi malou úroveň (- 45 až - 60 dbr) a je zatížen šumem (podle povahy ho dělíme na tepelný,
bílý, výstřelový atd.). Proto je nutné signál z detektoru dále upravit tak, aby výsledný signál nebyl natolik zatížen šumem a bylo jej možné dále zpracovat. Užitečný signál z integrátoru je dále veden do logaritmického zesilovače nebo je logaritmování zprůměrovaného signálu provedeno digitálně pro získání hodnot v decibelech (db). Výsledné naměřené hodnoty jsou poté zobrazeny na zobrazovací jednotce (displeji). Obrázek 13 Vnitřní uspořádání OTDR OTDR lze využít i pro zjišťování optické kontinuity, tj. k určování toho, jak je či není optická trasa kontinuální. Metoda zpětného rozptylu (OTDR) využívá ke své činnosti Fresnelova odrazu a Rayleighova rozptylu v optických vláknech. 45.00 40.00 35.00 30.00 25.00 20.00 2 3 4 5 15.00 10.00 200 400 600 800 1000 m Obrázek 14 Příklad náměru optické trasy pomocí OTDR Případné Fresnelovy odrazy na bodové poruše nebo koncích vlákna jsou z hlediska měření útlumu sice jevem nežádoucím, avšak se dají velmi dobře uplatnit při měření délky vlákna nebo lokalizaci poruchy. Fresnelův odraz nastává, pakliže dopadá optické záření na rozehranní dvou prostředí s různými indexy lomy. Tato situace nastane vždy, když připojujeme konektory či mechanické spojky, na začátku i na konci vlákna nebo na svařované spojce. Pokud tedy je vyslán do optického vlákna obdélníkový
impulz s výkonem P0 a šířkou Δt, část toho výkonu se u impulzu bude vyzařovat v každém bodě v důsledku nehomogenit optického vlákna (tzv. Rayleighova rozptylu) a rozptýlení izotropní záření se bude šířit všemi směry a část tohoto záření se dostane zpět ke vstupu. Source Variations in IOR 45.00 40.00 35.00 30.00 25.00 20.00 2 3 4 5 Ray of light 15.00 10.00 200 400 600 800 1000 m Obrázek 15 Příklad náměru trasy a principu funkce OTDR metru na základě Rayleigho rozptylu (zpětně vracejícího se světla) Poté se ze vzdálenosti od počátku vlákna ke konci vypočítá výkon Pb(z), který lze popsat následujícím vztahem (1.9).!!! =!!!!!!!!!!! (!!!") (1.9) vg skupinová rychlost šíření signálu; S koeficient zpětného rozptylu, αr činitel ztrát Rayleighovým rozptylem; α střední hodnota koeficientu útlumu vlákna na délce (z) v dopředném a zpětném směru. Koeficient zpětného rozptylu (S) je spektrálně závislý a vyjadřuje, jaká poměrná část optického výkonu se po rozptylu šíří vláknem ve zpětném směru. Pro jednovidová vlákna se dosahuje hodnot okolo - 49,6 db (0,0000106) pro 1,31 µm respektive - 51,1 db (0,000061) pro 1,55 µm. Pro mnohovidové optické vlákno dosahujeme větších hodnot zpětného rozptylu (- 23 db, tj. 0,005). Je třeba upozornit, že tento koeficient je silně závislý na geometrických a optických vlastnostech měřeného vlákna, jakými jsou např. index lomu, průměr vidového pole, numerická apertura, atd. Velikost zpětně rozptýleného optického výkonu je lineární funkcí šířky vstupního impulzu. Délka souřadnice definovaná ve vztahu (1.9) je svázaná v čase prostřednictvím skupinové rychlosti šíření signálu vg daná vztahem (1.10).! =!!!! (1.10) Hodnota výkonu Pb(z) lze detekovat na čele vlákna právě po uplynutí doby t=2z/vg od okamžiku navázání optického impulzu. Při sledování časové závislosti zpětně rozptýleného výkonu z tohoto impulzu, tak můžeme monitorovat průběh Pb(z) podél celého měřeného vlákna. Hodnota zpětně rozptýleného optického výkonu Pb(z) přitom na základě vztahu viz (9) se vzdáleností exponenciálně klesá. Proto je výhodné vynést daný průběh Pb(z) v logaritmickém měřítku. V případě podélně homogenního vlákna
potom získáme přímku, u níž je její směrnice udává koeficient útlumu vlákna. Pro podélně nehomogenní vlákna je průběh Pb(z) reprezentován v logaritmickém měřítku klesající křivkou, jejíž tečna v každém bodě udává zdánlivou lokální hodnotu koeficientu útlumu (zdánlivá je proto, že průběh Pb(z) je ovlivňován i změnami optických parametrů nebo geometrií měřeného vlákna, tedy faktory, které nemají až tak velký význam pro útlum). Při navazování optických impulzů do zkoumaného vlákna dochází k Fresnelovu odrazu na vstupním čele vlákna. Odražené záření se pak může dostat přes optický dělič n a citlivou plochu fotodetektoru. Při kolmém dopadu záření na čelo vlákna je koeficient Fresnelova odrazu přibližně 0,04 (cca - 14dB). Výkon odraženého optického záření proto převyšuje výkon záření rozptýleného až o tři řády a může dostat fotodetektor spolu se zesilovačem do nelineárního režimu. Z tohoto důvodu je nutné eliminovat Fresnelovy odrazy nebo je odstranit alespoň částečně. Lze využít několika technik, jakými jsou například elektronické hradlování fotodetektoru. Avšak častěji se setkáme s tím, že počáteční odraz se odstraňuje za použití akusto- optického deflektoru, což je optoelektronická součástka, jejíž princip spočívá na vychylování optického svazku na základě akustooptického efektu. Synchronizací činnosti deflektoru s generátorem optických impulsů lze k fotodetektoru přivést optický signál, až po odeznění Fresnelova odrazu od vstupního čela vlákna. V měřičích zpětného rozptylu pro mnohovidová vlákna se může odstraňovat počáteční odraz optickou cestou pomocí optického děliče vytvořeného na principu polarizačního hranolu. Pak lineárně polarizované záření z laseru zachovává po odrazu svoji polarizaci a hranol je nepropustí zpět k detektoru. Užitečný zpětně rozptýlený signál je naopak v mnohovidovém vlákně depolarizován a hranolem prochází k fotodetektoru s přijatelnými ztrátami. U měření jednovidových vláken nelze využít následující metodu, protože by výsledek měření mohl být zkreslen polarizačními vlastnostmi měřeného vlákna. Avšak se využívá jiné metody a to polarizačně nezávislých prvků. Ať už se použije jedné či druhé metody, první Fresnelův odraz se nikdy nepodaří odstranit beze zbytku. Správné měření útlumu je proto možné až po odeznění tohoto odrazu, tedy až od určité vzdálenosti od počátku vlákna. Tato vzdálenost se nazývá mrtvá zóna (dead- zone). V podstatě se jedná o vzdálenost, která je měřítkem efektivity potlačení prvního Fresnelova odrazu a lze jí považovat za tzv. přístrojovou mrtvou zónu. Fresnelův odraz se však neobjevuje pouze na na vstupním konektoru, nýbrž i na každé odrazné poruše, např. na konektoru v optické trase. Fresnelův odraz pak dominuje na křivce zpětného rozptylu a až do jeho odeznění nelze křivku zpětného rozptylu využít pro měření.
db -2,00 1,5 db -4,00-6,00-8,00 0,5 db -10,00 Identi ikační mrtvá zóna Útlumová mrtvá zóna Obrázek 16 Identifikační a útlumová mrtvá zóna a její definice na náměru V této souvislosti se zavedly další dva pojmy a to útlumová a identifikační mrtvá zóna. U útlumové mrtvé zóny (attentuation dead- zone) říkáme, že se jedná o minimální vzdálenost za odraznou poruchou, od které již lze na křivce zpětného rozptylu měřit útlum. Hlavním kritériem pro určení této zóny je pokles Fresnelova odrazu na křivce zpětného rozptylu na hodnotu 0,5 db. Tento parametr se většinou udává u všech komerčních přístrojů v katalogu. db 100,00 110,00 120,00 130,00 140,00 150,00 160,00 Vzdálenost (m) -2,00-4,00-6,00-8,00-10,00 Útlumová mrtvá zóna 0,5 db 100,00 110,00 120,00 130,00 140,00 150,00 160,00 Vzdálenost (m) Obrázek 17 Zobrazení útlumové mrtvé zóny Pokud se nám na křivce zpětného rozptylu nachází více odrazných poruch důsledku konektorů nebo mechanické spojky v trase je nutno definovat druhou mrtvou zónu a tou je identifikační mrtvá zóna (event dead- zone), která udává nejmenší
vzdálenost mezi dvěma odraznými poruchami, při níž lze ještě bezpečně rozlišit tyto poruchy, neboli se jedná o vzdálenost od začátku odrazu k bodu, kde signál poklesne o 1,5 db od maxima odrazu. Velikost mrtvé zóny závisí samozřejmě i na šířce impulsu. db -2,00 1,5 db -4,00-6,00-8,00-10,00 Identi ikační mrtvá zóna 100,00 110,00 120,00 130,00 140,00 150,00 160,00 Vzdálenost (m) Obrázek 18 Zobrazení identifikační mrtvé zóny 15 Linearita Abychom byli schopni dosahovat co nejlepších výsledků při samotném měření, je zapotřebí použít co nejlineárnější přístroj. Jedná se tedy o parametr, který je zásadní pro měření optického útlumu. Linearita udává schopnost měřicího přístroje měřit útlum s co nejlineárnějším průběhem (schopnost měřit přesně v celém svém dynamickém rozsahu s co nejmenší odchylkou). Tento parametr ovlivňují vlastnosti přístroje nebo jeho programové vybavení. 16 Dynamický rozsah Mluví- li se o pojmu dynamický rozsah (db), je zapotřebí ještě uvést pojem efektivní dynamický rozsah (db), který nám udává hodnoty, ve kterých je měřicí přístroj ještě schopen měřit nehomogenity na reflektogramu. Dynamický rozsah naopak udává rozdíl mezi úrovněmi signálu a šumu.
db 28 24 20 16 Měřící rozsah Dynamický rozsah 12 8 4 SNR=1 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Vzdálenost (m) Obrázek 19 Zobrazení významu dynamického rozsahu a jeho význam pro měření pomocí OTDR 2 konektory 3m od sebe Konec trasy Puls 5ns - lepší rozlišení, menší dynamický rozsah 500 510 db 35 30 25 20 15 10 5 0 5ns pulse 5 10 15 Vzdálenost (km) Puls 30ns - větší dynamický rozsah, horší rozlišení 500 510 db 35 30 25 20 15 10 5 0 30ns pulse 5 10 15 Vzdálenost (km) Obrázek 20 Význam šířky pulzu pro OTDR a jejich vlivů pro dynamický rozsah a rozlišení
17 Vlnové délky Přístroje OTDR se používají pro měření všech vlnových délek. Pro jednovidová vlákna (SM) se jedná o vlnové délky 1310/1490/1550nm pro vlákna mnohovidová jsou vlnové délky 850/1300nm. Pro měření na trasách s provozem se využívá vlnové délka 1625/1650nm. Před měřicí přístroj je potřeba připojit filtr, abychom měřili vybranou vlnovou délku. Pokud by se na vstupní detektor dostala provozní vlnová délka s vysokým výkonem, mohlo by dojít k poškození přístroje. Nově se také měří na vlnové délce 1383nm (oblast OH peak). V této oblasti mají optická vlákna All Wave nízký útlum a proto jsou vhodná pro nasazení pro tuto vlnovou délku. Starší typy vláken mají optický útlum okolo 0,6 až 1,1db. Obecně platí, že s počtem vlnových délek stoupá i cena měřícího zařízení. Obrázek 21 Útlumová charakteristika a zobrazení přenosových oken v optických komunikacích, systémy CWDM, DWDM 18 Sestava pro měření metodou OTDR Metodou OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) se dá měřit mnoho parametrů optických vláken, jako například útlum vlákna po celé délce nebo jen útlum v jeho určitých úsecích, útlum na konektorech nebo svárech. Dále se dá určit homogenita daného vedení, délka vedení, je možné dokonce přesně určit místo poruchy, což u metody transmisní čí OLTS nebylo možné. Na obrázku (Obr. 15) je uvedeno blokové schéma měřící soupravy pro měření metodou OTDR.
Obrázek 22 Sestava pro měření útlumu pomocí metody OTDR Měřené kabelu vlákno se připojuje k měřiči zpětného rozptylu buď přímo, nebo ke konci předřadného kabelu, jehož druhý konec se připojí k samotnému přístroji. Pakliže si klademe otázku, proč používáme předřadného kabelu, tak je to ze dvou důvodů. Prvním důvodem je, že zapojením předřadného kabelu, jehož délka je pro jednovidová vlákna obvykle 500 nebo 1000m, se můžeme vyhnout vlivu počátečního odrazu na vstupním konektoru měřicího přístroje, protože začátek měřeného vlákna je posunutý o délku předřadného kabelu. Druhým důvodem pak je použití předřadného kabelu protože zabraňuje poškození vstupního konektoru OTDR, zejména při používání různých rychlo- konektorů a adaptéru pro připojení holých vláken. 19 Závislost měřícího impulsu na délce předřadného vlákna V tabulce 2 jsou popsány parametry jako délka mrtvé zóny, dynamický rozsah a doporučená délka předřadného vlákna v závislosti na délce měřícího impulsu. Jak už je patrné, se zvyšující se délkou měřícího impulsu se ostatní hodnoty také zvyšují. Nežádoucí efekt je zvyšování mrtvé zóny, kdežto zvýšení dynamického rozsahu je naopak efekt žádoucí. Měřená trasa Předřadné vlákno OK OK Příliš dlouhý pulz (nebo příliš krátké předřadné vlákno) Obrázek 23 Vliv předřadného vlákna pro měření útlumu pomocí metody OTDR Špatně Velmi důležitý problém u ODTR spočívá v rozporu mezi výše uvedeným dynamickým rozsahem a schopností rozlišovací délky pro měření. Při šířce optického
impulsu t=100ns se úroveň zpětně rozptýleného signálu na vlnové délce 1310nm pohybuje na základě vztahu (9) přibližně 50dB pod úrovní výkonu vstupního impulsu. Při t=10ns se tento rozdíl ještě o 10dB zvýší, což vyžaduje příslušné zvýšení citlivosti fotodetekce. Proto by se mohlo na první pohled zdát, že je výhodné použít široké optické impulsy. Ze vztahu (9) je však patrné, že výkon P0 detekovaný v čase t je přímo úměrný energii impulsu rozptýleného v úseku vlákna o délce z=vgt/2. Šířka optického impulsu tedy ovlivňuje rozlišovací schopnost, jak je uvedeno v tabulce 2. délka měřícího pulzu úlumová mrtvá zóna v (m) pro špatný konektor * dynamický rozsah v (db) * 10 1 30 9,7 100 šířka měřícího pulzu 30 3 50 12,1 100 10 70 21,0 275 28 100 24,1 1000 100 200 27,3 doporučená délka předřadného vlákna v (m) Tabulka 2 Hodnoty šířky optického impulsu a jejich vlivu na rozlišovací schopnost OTDR (*) příklad pro jednovidová vlákna, měření OTDR (záleží na konkrétním OTDR a reflektanci konektoru) Proto tedy při volbě šířky optického impulsu musíme volit kompromis mezi požadavkem na citlivost fotodetekce (dynamický rozsah měření) a délkovou rozlišovací schopností měření dané optické trasy. Zatím co u krátkého impulsu se používá tam, kde máme krátké vzdálenosti, delší impulsy (např. 10µs) používáme pro patření sítě, metro- sítě, přístupové sítě apod. jinými slovy řečeno velmi dlouhé trasy. Další problém se může objevit při nesprávné volbě délkového rozsahu měření, kdy se mohou objevit vícenásobné Fresnelovy odrazy, které jsou pak zdrojem falešných poruch, tzv. duchů na křivce zpětného rozptylu (reflektogramu). Podstatou těchto falešných poruch je, že funkci OTDR si můžeme představit jako jakýsi osciloskop. K vysvětlení budiž nám obrázek 24, který zobrazuje vztah mezi optickými impulsy navazovanými do vlákna a Fresnelovými odrazy detekovanými fotodetektorem. V intervalu mezi optickými impulsy navázanými do vlákna je fotodetektorem vyhodnocován signál zpětného rozptylu podél vlákna. Opakovací perioda T optických impulsů proto určuje délkový rozsah měření R podle vztahu: T R = vg 2 (1.11) 200 500 2500 250 400 30,0 1000 10000 1000 1200 40,0 2000 20000 2000 2300 42,9 3000
db R L Vzdálenost (m) 2L Obrázek 24 - a), b) časový diagram optických pulsů a křivka zpětného rozptylu falešných poruch v důsledku nesprávné volby délkového rozsahu měření db R 2L - R 2L - R L Vzdálenost (m) 2L Obrázek 24 - c), d) jako a) a b) akorát s tím, že je vhodně zvolena volba délkového rozsahu pro měření Těmito ilustrativními obrázky 24 se snažíme vysvětlit princip, jak správně volit délku rozsahu pro měření optických tras, tak aby nedocházelo k chybám při měření. Pak tedy na straně fotodetektoru se v okamžiku navázání impulsu do vlákna objeví počáteční Fresnelův odraz a po čase odpovídající délce vlákna L se objeví odraz od konce vlákna. V čase odpovídajícím vzdálenosti 2L dopadá na plochu fotodetektoru odraz druhého řádu odpovídající čtyřnásobnému průchodu optického impulsu vláknem. Je- li pak tato vzdálenost 2L větší než délkový rozsah měření R, jak je znázorněno na obr. 24a, Fresnelův odraz druhého řádu může být vyhodnocen jako porucha ve vzdálenosti 2L R od počátku vlákna. Tuto chybu můžeme vidět na obrázku 24b. Pakli- že chceme eliminovat tuto chybu, je třeba opravdu volit délkový rozsah měření, tak aby platilo že R 2 L (1.12) V takovém případě pak bude odraz druhého řádu zobrazen ve vzdálenosti 2L od počátku vlákna a neovlivní tedy výsledek měření, jak je znázorněno na obrázek 24c a
24d. Daleko složitější situace však může nastat, měříme- li trasu, ve které se vyskytuje více Fresnelovsky odrážejících se ploch, např. optických konektorů. V takovém případě vznikne celá řada vícenásobných odrazů a identifikace falešných poruch může být značně obtížná. Jistým vodítkem může být to, že falešná porucha se vždy vyskytuje v místě, které je nějakým způsobem spojeno s násobky vzdáleností mezi konektory na trase. Dalším rozpoznávacím znamením pro ducha může být to, že za ním nenásleduje pokles křivky zpětného rozptylu a že tedy vykazuje nulový útlum. 20 Vyhodnocení měření křivky zpětného rozptylu a běžně vyskytujících se poruch pomocí ní změřených Při měření útlumu reálných optických vláknech a optických tras se většinou nesetkáme s ideálním průběhem křivky zpětného rozptylu podle obrázek 25. db Vzdálenost (m) Obrázek 25 Ideální křivka zpětného rozptylu pro homogenní vlákno Reálně se v praxi však s takto dokonalou křivkou zpětného rozptylu nesetkáme, jelikož při budování optických tras dochází k zvětšení útlumu podél vlákna a to z důvodu nehomogenit na trase (ohyby vlákna, nedokonalosti při svařování, konektorování, začištění apod.), fluktuace vlnovodné struktury (numerické apertury, profil vidového pole nebo indexu lomu) či nesprávným režimem pro měření. Při vyhodnocení výsledků měření je potom velmi důležitá správná interpretace obdržených průběhů. Při vyhodnocení výsledků měření je potom velmi důležitá správná interpretace naměřených výsledků. Příklady nejčastěji vyskytujících poruch na křivce zpětného rozptylu uvádíme na situačním obrázku 26.
db 1 2 3 4 6 5 7 8 9 šum Vzdálenost (m) Obrázek 26 Příklady nejčastěji vyskytujících se poruch na optické trase změřené pomocí OTDR metru na křivce zpětného rozptylu Bavíme- li se o nejčastějších poruchách na křivce zpětného rozptylu, jedná se především o následující: 1) Odraz od vstupního čela vlákna s vyznačenou mrtvou zónou. 2) V tomto úseku je měřené vlákno podélně homogenní a křivka zpětného rozptylu má konstantní sklon. V rámci tohoto úseku má vlákno i konstantní hodnotu měrného útlumu. Do měření přitom nesmíme zatrhnout mrtvou zónu. 3) Lokální nárůst útlumu (bodový porucha). Tento nárůst může být způsobem např. svařovanou spojkou, bodovým tlakem na vlákno nebo defektem ve struktuře vlákna. Pro určení, zda se jedná o lokální (bodovou) poruchu, je třeba sledovanou oblast prohlédnout s použitím impulsů s různými šířkami. Mění- li se tvar křivky zpětného rozptylu se změnou šířky impulsu, představuje sledovaná anomálie lokální poruchu. Nemění- li se tvar této křivky, pak se musí sledovaná porucha považovat za podélnou nerovnoměrnost útlumu. V případě jednovidových vláken je citlivost vlákna na ohyby pro vlnovou délku 1550nm podstatně větší než pro vlnovou délku 1310nm. Pokud se vyskytují na vlákně mikro- nebo makro- ohyby, což se stává nejčastěji v kabelových spojkách, pak se projevují jako bodové poruchy na křivce zpětného rozptylu, měřené na vlnové délce 1550nm. Při měření stejného vlákna na vlnové délce 1310nm nemusí být zřetelné žádné poruchy. 4) Ostré maximum, které vzniká v důsledku Fresnelova odrazu na konektorové spojce dvou vláken nebo defektu ve vlákně. V tomto bodě je také nárůst útlumu (tj. pokles křivky). V této souvislosti je dobře připomenout, že se mohou vyskytnout i lomy nebo plochy, jejichž Fresnelův odraz nemusí být
reflektometrem vůbec registrován. To se týká např. kvalitních lomů na vláknech se šikmým čelem skleněným vůči podélné ose vlákna o více než přibližně 5. V takovém případě se veškeré záření vyváže v místě poruchy z vlákna. 5) Zdánlivé zesílení se objevuje, pokud je na trase zařazen úsek vlákna o větším průměru vidového pole. 6) Mnohonásobný odraz ( duch ) se může objevit při nesprávné volbě délkového rozsahu měření. Nejtypičtější znakem ducha je, že je to porucha bez útlumu (křivka pokračuje beze změny). 7) Zvlnění křivky, které obvykle způsobeno měřicím přístrojem, fluktuacím vlnovodné struktury nebo polarizačními efekty a které lze vyloučit při vyhodnocení útlumu např. pomocí metody nejmenších čtverců. 8) Změnou sklonu křivky. Příčinou tohoto jevu může být měnící se útlum podél vlákna plynulá změna průměru vidového pole. Změny útlumu mohou být přitom způsobeny nejenom vnitřními, ale i vnějšími faktory, např. nerovnoměrným pnutím na vlákno. 9) Odraz od konce vlákna. Tento odraz nemusí být vždy patrný, vlákno může mít i bezodrazný konec (šikmý lom nebo imerzní kapalina na čele vlákna, např. vyteklý gel z trubičky). Za tímto odrazem již můžeme pozorovat pouze úroveň šumu, popřípadě náběhové špičky vícenásobných odrazů vyčnívajících nad šumem. 21 Přesnost a reprodukovatelnost měření přímé a nepřímé metody měření útlumu Pokud nás bude zajímat jaká je reprodukovatelnost a přesnost měření útlumu pomocí některé z výše uvedených typů metodik mějme na paměti, že jsou tato měření silně závislá na stabilitě a spektrálních vlastnostech zdrojů záření a na kvalitě a linearitě detektoru a detekční elektroniky. Současné přístroje jsou natolik kvalitní, že nestabilita zdrojů záření a nelinearita měřičů optického výkonu ve výsledku nepřevyšuje hodnotu několik setin db. Metoda dvou délek je nejpřesnější metodou měření útlumu optických vláken. Přesnost této metody může teoreticky dosáhnout až hodnoty setin db. Reálně se však odchylka měřené hodnoty útlumu A (λ) pohybuje maximálně do 0,1 db. Právě proto je tato metoda doporučována jako metoda referenční, i když je časově náročná a destruktivní. Její použití je většinou omezeno na vědecko- výzkumná pracoviště nebo na laboratoře výrobců optických vláken. U metody vložných ztrát je přesnost a reprodukovatelnost měření ovlivněna z rozdílů v čistotě a úpravě čel a nastavení konců měřeného a referenčního optického vlákna. Tato nepřesnost se pohybuje v řádu desetin db. V případě měření mnohovidových optických vláken se v praxi provádí měření útlumu z obou konců optického vlákna a výsledné naměřené hodnoty útlumu se zprůměrují. Tímto způsobem se eliminuje vliv rozdílné distribuce optického svazku v opačných směrech (mohlo by
dojít k reálnému zvýšení chyby měření). U metody zpětného rozptylu je problém přesností daleko složitější než u předchozích metod a to je dáno tím, že průběh křivky zpětného rozptylu je ovlivněn celou řadou parametrů např. podélnou fluktuací strukturních parametrů vlákna. Při jednosměrném měření jednovidových vláken metodou OTDR proto získáváme pouze kvalitativní představu o průchodnosti celé trasy, případně o přítomnosti jistých diskontinuit. Jediný způsob, jak získat přesné kvantitativní výsledky, což je útlum vlákna (trasy), svaru, měrný útlum apod. spočívá v měření z obou dvou konců trasy a v průměrování výsledků získaných z obou jednosměrných měření. V takovém případě je reprodukovatelnost a přesnost měření metodou OTDR srovnatelná s metodou dvou délek (tj. setiny db/km) a výsledky získané oběma metodami jsou poměrně dobré shodě. 22 Přímá metoda - přístroj OLTS (Optical loss Test Set) pro měření útlumu Měření metodou přímou přístrojem OLTS se od přímé měřicí metody příliš neliší, hlavní rozdíl tohoto měření je v použitých přístrojích. Každý měřicí přístroj obsahuje jak zdroj optického záření, tak i přijímač optického záření (realizován wattmetrem). Jedná se o velkou výhodu, protože optické trasy se měří v obou směrech a odpadá tím problém s přepojováním jednotlivých měřících přístrojů z jednoho konce měřené trasy na druhý. Vložný útlum je definován jako rozdíl mezi úrovní energie vysílané zdrojem a úrovní energie přijímané měřičem výkonu. Celkový vložný útlum systému je součtem vložných útlumů OLT konektoru, WDM slučovače, svárů nebo konektorů na trase, útlumů vláken, útlumů rozbočovačů, útlumu ONU konektoru a jakýchkoli chybných spojů. Vložný útlum je ztráta optické energie na celé optické trase. 23 Potřebné vybavení pro měření OLTS Útlum může být měřen použitím samostatného zdroje a měřiče optického výkonu. Základní OLTS jednotky sestávají ze světelného zdroje a OPM, zatímco pokročilejší se skládají z optického zdroje a OPM v jednom měřicím přístroji a jsou zvláště užitečné pro obousměrné testování, automatické vyhodnocení a analýzu výsledků. Některé ještě pokročilejší OLTS jednotky umí současně automaticky změřit útlum celé trasy a útlum odrazu ORL, také provádí odhad délky trasy a měření chromatické disperze. Mezi přístroji dostupnými na trhu jsou malé rozdíly ve vysílaném výkonu a dynamickém rozsahu jejich detektorů. Největší rozdíly mezi přístroji jsou v tom, zda obsahují automatické testovací sekvence. Hlavním účelem automatického měření je zkrácení doby vlastního měření a redukce možných chyb ze strany operátora. Automatické měření nikdy nemůže úplně vyloučit případné lidské chyby, ale může výrazně snížit jejich počet. Přístroje vybavené automatickými sekvencemi jsou dražší než přístroje manuální, ale investice do nich se může vrátit v podobě zkrácení času potřebného pro měření a snížení počtu chyb při měření. Přístroje schopné měřit útlum odrazu a odrazivost nejsou vhodné pro měření v sítích s mnohavidovými vlákny, protože
odrazivost je v těchto sítích velmi vysoká. Naproti tomu mohou být velmi užitečné pro měření v sítích s jednovidovými vlákny, jako jsou například sítě FTTx. 24 Postup při měření OLTS K provedení automatického měření útlumu pomocí dvou OLTS metrů jsou obvykle potřeba tyto čtyři kroky: v offset nulling - (pokud je vyžadováno přístroji) kompenzující šum detektoru a vnitřní offset některé přístroje nevyžadují tento krok v test setup - potřebný pro nastavení vlnových délek a ostatních testovacích parametrů v kalibrace (referencing) - obou přístrojů je potřebná pro měření útlumu vlákna a ne útlumu konektorů a příslušenství měřících přístrojů některé přístroje provádí tento krok automaticky v test initialization - některé přístroje provádí tento krok automaticky Metoda vzájemné kalibrace zpětnou smyčkou je podporována a prováděna na každém OLTS metru. Kalibrace se provádí připojením světelného zdroje měřicího přístroje přímo na detektor toho samého přístroje. Změřená úroveň výkonu na vstupu detektoru je nastavena jako referenční. Jiný, preciznější způsob kalibrace spočívá v připojení světelného zdroje měřicího přístroje A na vstup detektoru měřicího přístroje B a zdroje přístroje B k detektoru přístroje A. Jakmile jsou oba přístroje zkalibrovány, jsou konektory odpojeny z detektorů přístrojů a jsou připojeny k měřenému vláknu. Jeden přístroj zahájí test vysláním světelného signálu skrz vlákno, druhý přístroj změří úroveň přijímaného signálu a vyšle tuto hodnotu prvnímu přístroji, ten ji porovná s referenční hodnotou. Rozdíl mezi těmito hodnotami vyjadřuje útlum měřené přenosové linky. 25 Měření útlumu odrazu ORL Útlum odrazu ORL je definován jako poměr odraženého výkonu k/ku vlastnímu vysílanému výkonu, je dán vztahem vysílaný výkon ORL = log10 odražený výkon 10 [ db W, W] ; (1.13) a měří se na vstupu testovaného zařízení (DUT, Device Under Test). Hodnota ORL vyjadřuje součet všech odrazů na celé měřené optické trase.